Релейная защита тяговых подстанций

Защита понизительного трансформатора от перегрузки по току с действием на сигнал выполняется при помощи одного токового реле и реле времени с выдержкой времени 9 с (Приложение А, рисунки А2.1 и А2.2). Ток срабатывания реле защиты от перегрузки определяется по формуле

I CP	=	К Н I Н1				,	(2.6)
		К	В	К	ТА

где КН – коэффициент надежности, Кн = 1,05; КВ – коэффициент возврата, для максимальных токовых реле

КВ = 0,85.

Данные о выборе времени срабатывания МТЗ трансформаторов приведены в разделе 2.7 (таблица 2.6).

2.1.2 Расчет дифференциальной защиты трансформатора

Понижающий трансформатор в отличие от линии электропередачи имеет некоторые специфические особенности, влияющие на выполнение продольной дифференциальной защиты. К таким особенностям относятся:

1.Наличие броска тока намагничивания трансформатора при включении его под напряжением или при восстановлении напряжения после отключения близкого КЗ.

2.Неравенство токов по вторичным обмоткам трансформаторов тока, установленных на всех сторонах понижающего трансформатора.

3.Наличие углового сдвига вторичных токов трансформаторов тока при различных схемах соединения обмоток понижающего трансформатора.

Задачей расчета продольной дифференциальной защиты понижающего трансформатора является определение тока срабатывания

ичисла витков различных обмоток дифференциального реле (серии РНТ или ДЗТ). Методика расчета изложена в [1], [7], [9] и [12].

Расчет дифференциальной защиты можно производить в следующей последовательности:

1.По заданной мощности понижающего трансформатора определяются номинальные токи Iнi высокой (ВН), средней (СН)

инизкой (НН) сторон трансформатора по формуле (2.3). Далее выбираются типы трансформаторов тока и определяются их коэффи-

циенты трансформации КТА. В целях повышения надежности защиты и уменьшения полных погрешностей трансформаторов тока

21

целесообразно применять несколько завышенные значения КТА против расчетных значений.

Затем выбираются схемы соединения обмоток трансформаторов тока. Как известно, для компенсации углового сдвига вторичных токов трансформаторов тока со стороны звезды обмоток понижающего трансформатора трансформаторы тока соединяются в треугольник, а со стороны треугольника – в звезду (КСХ = 1 для звезды, КСХ = 3 для треугольника).

После этого находятся номинальные вторичные токи I2i транс-

форматоров тока в плечах защиты
I 2i	=	K схi I нi	,	(2.7)
		K TAi

где Kcxi – коэффициент схемы трансформаторов тока соответствующей стороны (ВН, СН или НН) понижающего трансформатора;

KTAi – коэффициент трансформации трансформаторов тока соответствующей стороны понижающего трансформатора;

Iнi – номинальный ток соответствующей стороны понижающего трансформатора.

2. Выбираются значения токов КЗ IКМАКС и IКМИН из раздела 1.2. Выбранные значения IКМАКС и IКМИН на стороне среднего и низкого

напряжений понижающего трансформатора приводятся к его высокой стороне ВН, используя отношения соответствующих напряжений.

Для дальнейших расчетов принимается наибольшее из двух мак-

симальных токов IКМАКС и наименьшее из двух минимальных токов IКМИН, приведенных к высокой стороне ВН.

3. Производится расчет для выбора типа реле дифференциальной защиты. Для этого определяется первичный (на стороне ВН трансформатора) ток срабатывания защиты IСЗ.

Первым условием выбора первичного IСЗ является отстройка от тока небаланса IНБ

IСЗ ≥ КЗ1 · IНБ ,

(2.8)

где КЗ1 – коэффициент запаса от тока небаланса. Для реле типа РНТ КЗ1 = 1,3, а для реле типа ДЗТ КЗ1 = 1,5.

Вначале проверяется возможность применения реле РНТ, при этом КЗ1 = 1,3.

22

UРЕГ

fВЫР

Ток небаланса IНБ определяется по выражению:

IНБ = (КАП · КОДН · ε + UРЕГ + fВЫР) · IКМАКС,

(2.9)

где КАП – коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей тока короткого замыкания. При наличии насыщающихся трансформаторов тока КАП = 1, для осталь-

ных КАП = 2; КОДН – коэффициент однотипности трансформаторов тока,

КОДН = 1;

ε– допустимая относительная погрешность трансформатора тока, ε = 0,1;

– относительная погрешность, обусловленная регулированием напряжения. Принимается равной половине суммарного диапазона РПН понижающих трансформато-

ров UРЕГ = 0,16);

– относительная погрешность от неточного выравнивания токов плеч защиты вследствие возможности точной установки на реле расчетного числа витков. Так как число витков еще неизвестно, то принять fВЫР = 0;

IКМАКС – максимальное значение тока КЗ (на стороне ВН трансформатора) при КЗ на стороне СН или НН.

Вторым условием выбора IСЗ является отстройка от броска тока намагничивания при включении трансформатора на холостой ход

IСЗ ≥ К32 · IН1,

(2.10)

где К32 – коэффициент запаса от броска тока намагничивания. Для реле типа РНТ К32 = 1,3, а для реле типа ДЗТ К32 = 1,5;

IН1 – номинальный ток со стороны ВН трансформатора. Проверяем вначале возможность применения реле типа РНТ, по-

этому принимаем К32 = 1,3.

Наибольшее из двух значений IСЗ , найденных по выражениям (2.8) и (2.10), принимается за ток срабатывания.

По выбранному току срабатывания защиты IСЗ определяется возможность применения реле типа РНТ.

Для этого определяется коэффициент чувствительности защиты К ч(2) при двухфазном внешнем КЗ

	К ч(2) =	I КМИН(2)	,	(2.11)
		I СЗ

23

I (2)

где КМИН – значение минимального тока двухфазного КЗ, приведенного к стороне ВН трансформатора.

При K ч(2) < 2 дифференциальную защиту с реле типа РНТ выполнить нельзя. В этом случае следует применить реле типа ДЗТ, например, ДЗТ-11 с одной тормозной обмоткой. Такой случай наиболее типичен для понижающих трансформаторов тяговых подстанций, поэтому далее рассматривается выбор уставок реле типа ДЗТ (уставки реле типа РНТ выбираются аналогично, только без расчета тормозной обмотки).

4. Определяется место включения тормозной обмотки реле ДЗТ-11. Из существующих вариантов включения тормозной обмотки рассматриваются два. Первый вариант предусматривает включение тормозной обмотки в одно из плеч СН или НН трансформатора. При этом тормозную обмотку следует включать в плечо той стороны трансформатора, где внешнее КЗ вызывает больший ток (т. е. со стороны СН, имеющей сопротивление обмотки трансформатора равное примерно нулю). Схема включения обмоток реле типа ДЗТ-11,

соответствующая этому варианту, приведена на рисунке 2.3.

		ВН
А		В С
		ТА1					KAW
			W УPII
			1		9	8	3
		ТА2	6
		2 W	4 W	УPI			Wд
	Т	T
		СН
		ТА3

НН

Рисунок 2.3 – Схема включения тормозной обмотки в плечо СН трансформатора

24

Несрабатывание защиты при внешнем КЗ в данном случае на шинах НН, когда торможение отсутствует, обеспечивается выбором тока срабатывания по условиям (2.8) и (2.10).

Далее определяется коэффициент чувствительности защиты K ч(2)

I (2)

по выражению (2.11) при двухфазном внешнем КЗ КМИН (в данном случае на шинах НН).

Если отстройка от тока небаланса при внешнем КЗ требует в данном варианте IСЗ больше, чем 1,5 · IН1, то наиболее целесообразно применять схему включения обмотки реле ДЗТ-11 на сумму токов плеч защиты питаемых сторон (рисунок 2.4).

		ВН
А	В	С
		ТА1					KAW
		8	W д	3
		ТА2
		4	W УPI
	Т
		СН		9	2		6
						W T
		1
		ТА3	W УPII
		НН
Рисунок 2.4 – Схема включения тормозной обмотки на сумму токов плеч
		СН и НН трансформатора

Второй вариант предусматривает включение тормозной обмотки на сумму токов плеч защиты сторон СН и НН трансформатора. Схема включения обмоток реле ДЗТ-11 для этого варианта приведена на рисунке 2.4.

Этот вариант включения обмоток реле ДЗТ-11 может быть признан наилучшим, так как позволяет выбрать IСЗ только по условию (2.10). Кроме того, в этой схеме исключается влияние тормозной обмотки реле при КЗ в зоне действия защиты. Также на величину IСЗ

25

не влияет неточность подбора витков уравнительных обмоток реле (она влияет лишь на выбор числа витков тормозной обмотки).

Таким образом, используя вариант включения тормозной обмотки реле по схеме (рисунок 2.4), ток срабатывания защиты IСЗ можно определить по условию (2.10) при КЗ2 = 1,5.

Далее находим вторичный ток срабатывания реле IСР по формуле (2.4).

5. Определяется число витков обмоток реле ДЗТ-11:

а) расчетное число витков дифференциальной (рабочей) обмотки Wд определяется по выражению

WД	=	FСР	,	(2.12)
		I СР

где FCP – магнитодвижущая (намагничивающая) сила, необходимая для срабатывания реле. Для реле ДЗТ-11 FCP = 100 А·витк.

Исходя из расчетного значения Wд , принимается ближайшее целое число витков дифференциальной обмотки. Значения витков обмотки реле, которые можно выставить, указаны на схеме реле (рисунок 2.5);

4
Iур			21	7			Рабочая				Т
0	1 2	3	28 14	0	9	8						11
			4 5 6							10
Уравнительные												12
0 1 2		3 4 5 6		0					3 2 1 0		Вторичная		РТ
			28 14
IIур							8 16 24 32				RШ
1			Тормозная				12	20	28	3
			2					6

1 5 9 13 24

37 11 18

Рисунок 2.5 – Схема реле ДЗТ-11

б) расчетное число витков уравнительных обмоток определяем из условия уравновешивания намагничивающих сил в реле, создаваемых номинальными токами в дифференциальной и уравнительной обмотках. Считая одну из обмоток отключенной (например НН, рисунок 2.4), имеем

I2ВН · Wд = I2СН · WУРI,

(2.13)

26

где I2ВН , I2СН – номинальные вторичные токи трансформаторов тока в плечах защиты сторон ВН и СН понижающего трансформатора.

Витки тормозной обмотки в данном выражении отсутствуют, так как они включаются таким образом, что не создают тока в реле, а служат только для подмагничивания крайних стержней магнитопровода, насыщая их и препятствуя трансформации тока из рабочей обмотки во вторичную обмотку. Из выражения (2.13) находим число витков WУРI. Для установки на реле принимается ближайшее большее целое число витков первой уравнительной обмотки (см. рисунок 2.5).

Считая отключенной другую обмотку (теперь СН), из условия равновесия намагничивающих сил в реле получаем выражение

I2ВН · Wд = I2НН · WУРII .

(2.14)

Из выражения (2.14) находим расчетное число витков второй уравнительной обмотки WУРII. Для установки на реле принимается ближайшее большее целое число витков второй уравнительной обмотки (см. рисунок 2.5).

Правильность выбора числа витков обмоток реле ДЗТ-11 (для схемы рисунок 2.4) может быть проверена по условию

I2ВН · Wд ≈ I2СН · WУРI ≈ I2НН · WУРII ;

(2.15)

в) число витков тормозной обмотки определяется исходя из условия надежного срабатывания защиты при внешнем КЗ на шинах одной из сторон СН или НН по выражению

	WТ ≥	К З I НБ МАКС WРАСЧ	,	(2.16)
		I КМАКС tgα
где КЗ	– коэффициент запаса, КЗ = 1,5;
tgα	– тангенс угла наклона к оси абсцисс касательной, прове-
	денной из начала координат к характеристике срабаты-
	вания, соответствующей минимальному торможению.
	Для реле ДЗТ-11 tgα = 0,87;
WРАСЧ	– расчетное число витков рабочей обмотки. Для схемы

рисунок 2.4 WРАСЧ = Wд ;

IНБМАКС – наибольший ток небаланса при трехфазном КЗ на одной из сторон СН или НН трансформатора, определяемый

по выражению (2.9) с учетом fвыр.

Погрешность от неточного выравнивания токов плеч защиты, вследствие невозможности точной установки на реле расчетного

27

числа уравнительных обмоток, определяется для сторон ВН и НН трансформатора по выражению

	f		=	(WУР.УСТ −WУР.РАСЧ )	,	(2.17)
		ВЫР		WУР.УСТ

где WУР.РАСЧ , WУР.УСТ – расчетное и принятое к установке на реле число витков уравнительных обмоток.

Для подстановки в формулу (2.16) выбирается наибольшее из двух полученных значений IНБ МАКС (для сторон ВН или НН трансформатора).

Для подстановки в формулу (2.16) принимают значение IКМАКС , соответствующее КЗ на той стороне трансформатора, для которой выбирается IНБ МАКС .

6. Определяется коэффициент чувствительности защиты K ч(2) при двухфазном КЗ

			I (2)	W
	К (2)	=	КМИН	д	,	(2.18)
	ч		К ТА FCР 0
где I КМИН(2)	– значение минимального тока двухфазного КЗ, приведен-
	ного к стороне ВН трансформатора (найдено выше);
КТА	– коэффициент трансформации трансформаторов тока со
	стороны ВН понижающего трансформатора;
Wд	– принятое к установке число витков дифференциаль-
	ной обмотки;
FCP 0	– магнитодвижущая сила срабатывания реле типа ДЗТ-11
	при отсутствии торможения, т. е. берется начальная точ-
	ка тормозных характеристик реле, FCP 0					= 100 А · витк.

Значение K ч(2) должно быть больше или равно 2.

2.1.3Расчет релейной защиты понизительных трансформаторов для питания нетяговых потребителей

Трансформаторы для питания нетяговых потребителей могут быть установлены в РУ-35 кВ тяговых подстанций постоянного и переменного тока, обычно с напряжением вторичной обмотки 10 (6) кВ. Виды применяемых защит указаны в таблице 2.1. Схема подключения измерительных органов защиты приведена на рисунке А.2 (Приложение А).

28

Расчет МТЗ со стороны высокого напряжения проводится по формулам (2.1), (2.3), (2.4) и (2.5). Коэффициент чувствительности Кч МТЗ определяется по значению минимального тока КЗ на шинах НН трансформатора и в конце фидера, отходящего от этих шин (точки к1 и к2, рисунок 2.1, а).

Для трансформаторов, не оборудуемых дифференциальной защитой, в качестве защиты от внутренних повреждений используется токовая отсечка (ТО) со стороны высокого напряжения трансформатора. Ток срабатывания ТО определяется по формуле

I СЗ	=K Н		5 I Н2	,	(2.19)
			К Т

где КН – коэффициент надежности, КН = 1,4;

IН2 – номинальный ток вторичной обмотки трансформатора; КТ – коэффициент трансформации трансформатора.

Номинальный ток вторичной обмотки трансформатора равен

I Н2 =		SНТ		.	(2.20)
	3 U НН
Коэффициент трансформации трансформатора равен
К Т	=	U ВН	.		(2.21)
	U НН

Ток срабатывания реле IСР вычисляется по формуле (2.4). Коэффициент чувствительности ТО определяется по току КЗ

в минимальном режиме в месте установки защиты, т. е. на шинах 35 кВ (точка к3, рисунок 2.1, б). Методика расчета коэффициента чувствительности приведена в разделе 2.1.1.

I (2)

Таблица 2.2 – Расчет тока в реле РМИН

Схема соединения

Токи в реле при КЗ

КСХ

В месте установки

За трансформато-

трансформаторов тока

защиты или за транс-

форматором

/

ром

/Δ

Полная звезда

1

I РМИН(2) =

3 I (3)

I

РМИН(2) =

I (3)

КМИН

КМИН

К

К

К

К

2

ТА

Т

ТА

Т

29

Окончание таблицы 2.2

Схема соединения

Токи в реле при КЗ

КСХ

В месте установки

За трансформато-

трансформаторов тока

защиты или за транс-

форматором /

ром

/Δ

Неполная звезда с двумя

1

(2)

=

3 I КМИН(3)

I

(2)

=

0,5 I КМИН(3)

реле

I РМИН

РМИН

К ТА К Т

К ТА

К Т

2

Неполная звезда с тремя реле

1

I РМИН(2)

=

3 I (3)

I

(2)

=

I (3)

КМИН

РМИН

КМИН

К ТА К Т

К ТА К Т

2

Треугольник с тремя реле

I РМИН(2)

=

3 I (3)

I

(2)

=

1,5 I

(3)

3

КМИН

РМИН

КМИН

К Т

К ТА К Т

К ТА

Треугольник с двумя реле

I РМИН(2)

=

3 I (3)

I

(2)

=

1,5 I

(3)

3

КМИН

РМИН

КМИН

К Т

2

К ТА К Т

К ТА

Примечания:

1. КТ – коэффициент трансформации защищаемого трансформатора. Для

двухобмоточного трансформатора							К Т		=	U ВН	; для трехобмоточного транс-
		U ВН			U				U НН
форматора К Т	=			или К Т =		ВН		в зависимости от того, для каких из об-
		U СН
					U НН

моток трансформатора определяется коэффициент трансформации.

2. При расчете тока I РМИН(2) при КЗ в месте установки защиты коэффициент трансформации КТ = 1).

2.1.4 Расчет релейной защиты трансформаторов собственных нужд

Принципиальная схема подключения измерительных органов защиты трансформаторов собственных нужд (ТСН) приведена на рисунке А.3 (Приложение А), применяемые виды защиты перечислены в таблице 2.1.

МТЗ трансформаторов собственных нужд выполняется по двухфазной трехрелейной схеме, что обеспечивает большую чувствительность при однофазном КЗ на стороне 0,4 кВ. Расчет МТЗ выполняется по формулам (2.1), (2.3), (2.4) и (2.5). Коэффициент чувствительности МТЗ определяется по току двухфазного КЗ на шинах 0,4 кВ (точка к1, рисунок 2.1, б) в минимальном режиме.

30